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Die Erfindung betrifft eine Stützeinrichtung zur Abstützung eines Körpers in einem Isolierbehälter, mit einem ersten Kontaktabschnitt, der zur Anlage an einer Kontaktfläche eines abzustützenden Körpers ausgebildet ist, und mit einem zweiten Kontaktabschnitt, der zur Anlage an einer Innenwand eines Isolierbehälters ausgebildet ist, sowie mit einem Stützabschnitt, der sich zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt entlang eines Erstreckungspfads erstreckt, wobei eine Länge des Erstreckungspfads größer als ein Abstand zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt ist und wobei der Erstreckungspfad wenigstens einen Wendepunkt aufweist.
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Die
DE 10 2005 002 011 B3 offenbart eine Kryostatanordnung mit einem Außenmantel und einem darin eingebauten Kryobehälter für kryogenes Fluid, wobei der Kryobehälter einen Verschluss aufweist, der eine Ventilplatte mit einem Ventilsitz umfasst, wobei die Ventilplatte mit einem Wellbalg linearbeweglich federelastisch an einer Gegenplatte angebracht ist.
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Aus der
US 2016/0163439 A1 ist ein Isolierbehälter zur Aufnahme eines aus supraleitendem Material hergestellten Magnetelements bekannt, bei dem das ringförmig ausgebildete Magnetelement auf einer kreisförmigen Stützplatte aufgesetzt ist, die im Inneren eines Isolierbehälters angeordnet ist und die über eine Verbindungshülse mit einer Außenwand des Isolierbehälters gekoppelt ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stützeinrichtung bereitzustellen, mit der eine verbesserte Isolation des abzustützenden Körpers gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird für eine Stützeinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erstreckungspfad kann beispielsweise durch eine Schnittlinie bestimmt sein, die sich bei einem Schneidevorgang einer Querschnittsebene mit dem Stützabschnitt ergibt. Vorzugsweise ist die Querschnittsebene derart gegenüber dem Stützabschnitt ausgerichtet, dass der Erstreckungspfad eine minimale Länge aufweist. Aufgrund der geometrischen Ausgestaltung des Stützabschnitts ist auch für die minimale Länge der Schnittlinie gewährleistet, dass die Schnittlinie länger als ein Abstand zwischen den beiden Kontaktabschnitten ist. Eine weitere Eigenschaft des Erstreckungspfads besteht darin, dass dieser wenigstens einen Wendepunkt aufweist, also längs der Schnittline einen Übergang zwischen einer ersten Krümmungsrichtung und einer zweiten Krümmungsrichtung umfasst. Beispielhaft umfasst der Erstreckungspfad eine Abfolge einer positiven Krümmung und einer negativen Krümmung, wobei beide Krümmungen jeweils gleichförmig oder abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet sein können. Durch diese Gestaltung des Erstreckungspfads wird gewährleistet, dass der Stützabschnitt trotz der Länge des Erstreckungspfads in kompakter Weise gestaltet werden kann. Hierdurch wird eine vorteilhafte Verlängerung einer thermischen Weglänge und eines hierzu zumindest weitestgehend proportionalen thermischen Widerstands ohne eine signifikante Vergrößerung des dafür notwendigen Bauvolumens für die Stützeinrichtung gewährleistet. Somit können mit der Stützeinrichtung bei einfacher Aufbauweise deutlich verbesserte Isolationseigenschaften für den abzustützenden Körper gegenüber dem Isolierbehälter erreicht werden, insbesondere bei einer Verwendung der Stützeinrichtung in einem evakuierten Isolierbehälter.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Stützabschnitt rotationssymmetrisch ausgebildet ist und wenn der Erstreckungspfad ein Rotationsprofil des Stützabschnitts bestimmt. Beispielhaft ist vorgesehen, dass eine Außenoberfläche des Stützabschnitts und eine Innenoberfläche des Stützabschnitts jeweils durch rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse ausgerichtete Hüllkurven bestimmt sind. Zwischen den beiden Hüllkurven ist der zumindest weitestgehend rotationssymmetrisch ausgebildete Stützabschnitt aufgenommen, der wahlweise als Vollkörper oder als mit Ausnehmungen versehener Skelettkörper ausgebildet sein kann. Der Erstreckungspfad bildet jedenfalls ein Rotationsprofil des Stützabschnitts, insbesondere eine neutrale Faser des Stützabschnitts. Hierbei weist der Stützabschnitt in radialer Richtung eine Ausdehnung auf, die durch die Materialstärke des Stützabschnitts bestimmt ist und durch den Abstand der Hüllkurven beschrieben werden kann. Besonders bevorzugt weist der Stützabschnitt stets die gleiche Materialstärke auf.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Erstreckungspfad mehrere Wendepunkte aufweist. Hierdurch kann eine erhebliche Vergrößerung der Länge des Erstreckungspfads in Relation zum Abstand zwischen den beiden Kontaktabschnitten erzielt werden, ohne dass hierdurch eine erhebliche Vergrößerung des Bauraums für die Stützeinrichtung in Kauf genommen werden muss. Dementsprechend vergrößern sich auch die thermische Weglänge und der thermische Widerstand zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt.
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Gegebenenfalls weist der Erstreckungspfad zwischen zwei gegensinnigen Krümmungen einen geradlinigen Abschnitt auf. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Wendepunkt des Erstreckungspfads in der Mitte des geradlinigen Abschnitts liegt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Stützabschnitt von einer Vielzahl von Ausnehmungen durchsetzt ist. Der thermische Widerstand oder Wärmeleitwiderstand für den Stützabschnitt wird durch die Länge des Erstreckungspfads, durch die thermische Weglänge und durch den Querschnitt des Stützabschnitts längs des Erstreckungspfads bestimmt. Die thermische Weglänge kann gegenüber der Länge des Erstreckungspfads vergrößert werden, indem Ausnehmungen in den Stützabschnitt eingebracht werden. Dementsprechend kann ein Wärmestrom nicht unmittelbar dem Erstreckungspfad folgen, sondern muss stets dem zwischen den beiden Kontaktbereichen vorhandenen wärmeleitendem Material folgen.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Erstreckungspfad mehrere jeweils parallel zueinander ausgerichtete, insbesondere gradlinig ausgebildete, Pfadabschnitte aufweist. Durch diese Gestaltung des Erstreckungspfads kann eine besonders effiziente Verlängerung des Wärmewegs unter Beibehaltung der kompakten Bauform für die Stützeinrichtung gewährleistet werden. Dabei bestimmen die parallel zueinander ausgerichteten Pfadabschnitte des Erstreckungspfads mehrere koaxial zueinander angeordnete Stützringe. Zueinander benachbarte Stützringe sind jeweils einseitig an einem axialen Endbereich miteinander verbunden, wodurch sich ein mäanderförmiger Erstreckungspfad ergibt. Ein solcher Erstreckungspfad stellt einerseits eine große thermische Weglänge und andererseits eine vorteilhafte mechanische Stabilität für die Stützeinrichtung sicher. Beispielhaft kann bei einer Einwirkung von äußeren Kräften auf den mit Hilfe der Stützeinrichtung abzustützenden Körper eine Kippbewegung des ersten Kontaktabschnitts gegenüber dem zweiten Kontaktabschnitt stattfinden. Aufgrund der koaxialen Anordnung der Stützringe können sich diese, insbesondere mit einer rein elastischen Deformation der Stützeinrichtung, gegeneinander abstützen und sorgen somit für eine Begrenzung der Bewegung des abzustützenden Körpers. Nach Abklingen der äußeren Krafteinwirkung verformt sich die Stützeinrichtung in elastischer Weise zurück in ihre Ausgangsposition, bei der die Stützringe wieder koaxial zueinander angeordnet sind.
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In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stützringe zumindest teilweise an freien Endbereichen lokal mit benachbart angeordneten Stützringen verbunden sind. Durch diese abseits der zumindest im Wesentlichen umlaufenden mechanischen Verbindung benachbarter Stützringe vorgesehene Kopplung freier Endbereiche der Stützringe wird eine Stabilisierung der Stützeinrichtung erreicht, ohne dass dadurch eine signifikante Verringerung der thermischen Weglänge eintritt. Insbesondere wird hierdurch eine Erhöhung der Stabilität der Stützeinrichtung gegenüber von außen einwirkenden und zur Verkippung des abzustützenden Körpers führenden Kräften erzielt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass benachbarte Stützringe mit thermisch isolierenden Verbindungsmitteln miteinander verbunden sind, um eine möglichst geringe Beeinträchtigung der thermischen Weglänge und des damit verknüpften thermischen Widerstands der Stützeinrichtung hervorzurufen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützringe mit mehreren Ausnehmungen versehen sind, wobei benachbarte Ausnehmungen durch Axialstege oder Umlaufstege voneinander beabstandet sind. Hierbei verlaufen Kanten von Axialstegen zumindest nahezu parallel zur Rotationssymmetrieachse der Stützeinrichtung. Demgegenüber verlaufen Kanten der Umlaufstege zumindest im Wesentlichen in Ebenen, die normal zur Rotationssymmetrieachse der Stützeinrichtung ausgerichtet sind. Dabei gewährleisten die Axialstege die Übertragung von axial ausgerichteten Kräften zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt. Die Umlaufstege gewährleisten eine Stabilisierung der Stützeinrichtung, insbesondere im Hinblick auf ein nicht erwünschtes radiales Ausknicken der Axialstege. Vorzugsweise sind die Umlaufstege kreisringförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Axialstege eines Stützrings durch wenigstens einen, insbesondere mittig angeordneten und kreisringförmig umlaufenden, Umlaufsteg miteinander verbunden sind.
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Zweckmäßig ist es, wenn Axialstege von benachbarten Stützringen in einer Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann die thermische Weglänge für einen Wärmetransport zwischen den beiden Kontaktabschnitten verlängert werden, wodurch der thermische Widerstand zwischen den beiden Kontaktabschnitten erhöht wird. Dabei verringert sich die Stabilität der Stützeinrichtung im Vergleich zu einer Stützeinrichtung mit nicht versetzt zueinander angeordneten Axialstegen nicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt jeweils kreiszylindrisch ausgebildet sind und/oder einstückig mit dem Stützabschnitt hergestellt, insbesondere generativ hergestellt sind.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine rein schematische Darstellung eines Isolierbehälters, in dem ein zu isolierender Körper mit Hilfe einer Stützeinrichtung thermisch entkoppelt aufgenommen ist,
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2 eine Schnittdarstellung einer Stützeinrichtung zur Verwendung in einem Isolierbehälter gemäß der 1,
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2a eine Darstellung eines Erstreckungspfads für die Stützeinrichtung gemäß den 1 und 2,
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3 eine Draufsicht auf die Stützeinrichtung gemäß der 2,
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4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Stützeinrichtung, und
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5 eine Vorderansicht der Stützeinrichtung gemäß der 4.
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Ein in der 1 rein schematisch dargestellter Isolierbehälter 1 umfasst eine Behälterhülle 2, einen zu isolierenden Körper 3 sowie eine zwischen Behälterhülle 2 und zu isolierenden Körper 3 angeordnete Stützeinrichtung 4.
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Beispielhaft ist der Körper 3 als Hochtemperatursupraleiter, insbesondere aus einem Material mit supraleitenden Eigenschaften wie Yttrium-Barium-Kupferoxid, ausgebildet. Ferner ist rein exemplarisch vorgesehen, dass der Körper 3 mit Hilfe des Isolierbehälters 1 auf einer Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur, die für den vorgenannten Werkstoff bei 92 Kelvin liegt, gehalten wird, damit die supraleitenden Eigenschaften des Materials genutzt werden können.
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Hierzu umfasst der Isolierbehälter 1 eine rein exemplarisch kubisch ausgebildete Behälterhülle 2, die vakuumdicht ausgebildet ist und einen Behälterraum 5 bestimmt. In dem Behälterraum 5 sind der Körper 3 sowie die Stützeinrichtung 4 angeordnet. Dabei liegt die Stützeinrichtung 4 mit einem ersten Kontaktabschnitt 6 an einer Unterseite 7 des Körpers 3 an, während ein zweiter Kontaktabschnitt 8 der Stützeinrichtung 4 an einer Innenwand 9 der Behälterhülle 2 anliegt.
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Die Aufgabe der Stützeinrichtung 4 besteht darin, eine möglichst weitgehende thermische Entkopplung zwischen der Behälterhülle 2 und dem Körper 3 zu gewährleisten und gleichzeitig eine stabile mechanische Abstützung des Körpers 3 an der Behälterhülle 2 sicherzustellen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Behälterraum 5 evakuiert ist, sodass eine Wärmeübertragung zwischen einer Umgebung des Isolierbehälters 1 und dem Körper 3 zumindest nahezu ausschließlich über Konduktion, also über einen Wärmetransport ausgehend von der Behälterhülle 2 durch die Stützeinrichtung 4 bis zum Körper 3, stattfindet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weitere, üblicherweise bei einem derartigen Isolierbehälter vorzusehende Komponenten wie eine Kühleinrichtung und eine Temperatursensorik nicht dargestellt.
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Die in der 1 dargestellte Stützeinrichtung 4 wird in den 2 und 3 in einer Schnittdarstellung sowie einer Draufsicht gezeigt. Rein exemplarisch ist die Stützeinrichtung 4 rotationssymmetrisch zu einer auch als Rotationssymmetrieachse bezeichneten Mittelachse 10 ausgebildet. Ferner ist ebenfalls rein exemplarisch vorgesehen, dass sowohl der erste Kontaktabschnitt 6 als auch der zweite Kontaktabschnitt 8 der Stützeinrichtung 4 jeweils kreiszylindrisch hülsenförmig ausgebildet sind. Zwischen den beiden Kontaktabschnitten 6 und 8 erstreckt sich ein Stützabschnitt 11, der die beiden Kontaktabschnitte 6 und 8 miteinander verbindet. Der Stützabschnitt 11 soll einerseits eine vorteilhafte Kraftübertragung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt 6 und dem zweiten Kontaktabschnitt 8 gewährleisten, andererseits soll der Stützabschnitt 11 eine möglichst geringe thermische Kopplung zwischen den beiden Kontaktabschnitten 6 und 8 sicherstellen.
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Der rotationssymmetrisch ausgebildete Stützabschnitt 11 wird durch einen Erstreckungspfad 12 bestimmt, der in der der 2a dargestellt ist. In geometrischer Hinsicht wird der Stützabschnitt 11 durch Rotation des Erstreckungspfads 12 um die Mittelachse 10 gebildet. Dabei kann der Erstreckungspfad 12 auch als Profil oder als neutrale Faser für den Querschnitt des Stützabschnitts 11 gemäß der 2 bezeichnet werden.
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Exemplarisch weist der Erstreckungspfad 12 eine Abfolge von geradlinig ausgebildeten, parallel zueinander ausgerichteten Pfadabschnitten 15 bis 23 auf, die jeweils endseitig durch Verbindungsbögen 24 bis 31 miteinander verbunden sind. Dabei bilden die geradlinig ausgebildeten Pfadabschnitte 15 bis 23 bei der Rotation um die Mittelachse 10 jeweils Stützringe 32 bis 40, die beispielhaft koaxial zueinander angeordnet sind.
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Aus der 2a kann ferner entnommen werden, dass eine Lange des Erstreckungspfads 12, der sich aus den Pfadabschnitten 15 bis 23 sowie den Verbindungsbögen 24 bis 31 zusammensetzt, erheblich länger als ein Abstand 41 zwischen dem ersten Kontaktabschnitt 6 und dem zweiten Kontaktabschnitt 8 ist. Ein thermischer Widerstand zwischen dem ersten Kontaktabschnitt 6 und dem zweiten Kontaktabschnitt 8 wird durch die mäanderförmige Gestaltung des Erstreckungspfads 12 und die daraus resultierende Länge des Erstreckungspfads 12 sowie durch die Materialstärke und die Wärmeleitfähigkeit des für die Stützeinrichtung 4 verwendeten Materials bestimmt.
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An jedem der in 2a dargestellten, geradlinig ausgebildeten Pfadabschnitte 16 bis 22 ist jeweils ein Wendepunkt 42 bis 48 eingezeichnet, der jeweils rein exemplarisch in der geometrischen Mitte des jeweiligen Pfadabschnitts 16 bis 22 angeordnet ist. Die Wendepunkte 42 bis 48 symbolisieren jeweils eine Krümmungsänderung für einen Krümmungsverlauf des Erstreckungspfads 12 zwischen dem jeweils vorgelagerten Verbindungsbogen 24 bis 31 und dem jeweils nachgelagerten Verbindungsbogen 24 bis 31.
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Um eine kompakte Gestaltung der Stützeinrichtung 4 zu gewährleisten, ist ein Abstand 49 zwischen benachbarten Stützringen 33 bis 40 nahezu identisch zu einer Materialstärke 50 der Stützeinrichtung 4 gewählt. Durch diese Maßnahme wird ferner gewährleistet, dass eine asymmetrische Einleitung von Kräften auf die Kontaktabschnitte 6 und 8 nur zu einer geringen Verkippung der Kontaktabschnitte 6 und 8 zueinander führt. Bei dieser Kippbewegung kommen die Stützringe 33 bis 40 rasch in mechanischen Kontakt zueinander, wodurch eine Stabilisierungswirkung durch die gegenseitige Stützwirkung eintritt. Ferner wird durch die Begrenzung der Verkippung der Stützringe 33 bis 40 auch eine Begrenzung der Deformation des Stutzabschnitts 11 auf eine rein elastische Deformation gewährleistet, sofern nicht ein vorgebbares Kraftniveau überschritten wird, das dann zu einer plastischen Deformation, insbesondere zu einer Beschädigung, der Stützeinrichtung 4 führt.
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Bei der in den 4 und 5 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Stützeinrichtung 54 handelt es sich um eine Modifikation der Stützeinrichtung 4, so dass nachstehend nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Rein exemplarisch kann ein nicht näher dargestellter Erstreckungspfad für die Stützeinrichtung 54 durch den Erstreckungspfads 12 gebildet werden. In der Darstellung der 4 sind lediglich die oberseitigen Verbindungsbögen 55 bis 57 sichtbar. Die Stützeinrichtung 54 unterscheidet sich von der Stützeinrichtung 4 durch die Vielzahl von Ausnehmungen 58, die in den jeweiligen Stützringen eingebracht sind. Rein exemplarisch weisen die Ausnehmungen 58 jeweils einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf. Beispielhaft ist jeder der Stützringe in Umfangsrichtung mit vier jeweils in gleicher Teilung angeordneten Ausnehmungen 58. Ferner ist rein exemplarisch vorgesehen, dass jeder der Stützringe in axialer Richtung jeweils zwei in gleicher Teilung angeordnete Ausnehmungen 58 aufweist.
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Durch die Ausnehmungen 58 werden an den jeweiligen Stützringen jeweils Axialstege 59 bis 65 sowie Umlaufstege 66 bis 69 gebildet. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die Umlaufstege 66 bis 69 die jeweiligen Axialstege 59 bis 65 jeweils mittig treffen, wodurch eine besonders vorteilhafte Stabilisierungswirkung für die Axialstege 59 bis 65, insbesondere gegenüber einer Ausknickbewegung in radialer Richtung, gewährleistet wird. Wie aus der Darstellung der 4 und 5 weiterhin entnommen werden kann, weisen die Ausnehmungen 58 und die daraus resultierenden Axialstege 59 bis 65 benachbarter Stützringe bezogen auf die Mittelachse 10 einen Winkelversatz auf. Hierdurch wird eine zusätzliche Verlängerung einer thermischen Weglänge zwischen dem ersten Kontaktabschnitt 6 und dem zweiten Kontaktabschnitt 8 erzielt.
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Während bei der Stützeinrichtung 4 ein Wärmestrom längs des Erstreckungspfads 12 vom ersten Kontaktabschnitt 6 zum zweiten Kontaktabschnitt 8 erfolgen kann, wird bei der Stützeinrichtung 54 durch die Ausnehmungen 58 eine Verlängerung der thermischen Weglänge erzielt, da der Wärmestrom stets nur über die Axialstege 59 bis 65, die zugeordneten Verbindungsbögen 55 bis 57 sowie die nicht sichtbaren Verbindungsbögen der Stützeinrichtung 54 verlaufen kann.
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Rein exemplarisch ist sowohl bei der Stützeinrichtung 4 als auch bei der Stützeinrichtung 54 vorgesehen, dass die dem ersten Kontaktabschnitt 6 zugewandten Verbindungsbögen 24, 26, 28, 30 beziehungsweise 55, 56 und 57 jeweils in einer gemeinsamen, normal zur Mittelachse 10 ausgerichteten Ebene angeordnet sind. Ferner ist bei beiden Stützeinrichtungen 4, 54 beispielhaft vorgesehen, dass die Verbindungsbögen 25, 27, 29, 31 der Stützeinrichtung 4 und die bei der Stützeinrichtung 54 nicht dargestellten Verbindungsbögen unterschiedliche Abstände gegenüber dem ersten und zweiten Kontaktabschnitt 6, 8 aufweisen.
